光刻机：国之重器与科技自主可控的关键挑战及未来展望

光刻机的工作原理及历史演变

当今社会生活中，集成电路几乎无处不在，从身份证、手机到高铁、飞机，无一不离不开集成电路。集成电路自诞生以来，一直朝着小型化方向发展。单芯片上的晶体管数量已经从最初的几十个增长到现在的数千亿个。

集成电路制造的核心工艺是利用光刻机在硅片上构建电路图案。光刻工艺决定了集成电路芯片上电子元件的尺寸和位置。从1961年至今，已经开发出各种类型的光刻机，以满足集成电路制造的需要。根据曝光方式，光刻机可分为接触式、接近式和投影式。接触式和接近式光刻机的最终分辨率仍停留在微米级，难以满足芯片特征尺寸不断减小的需求。投影光刻机是目前主流光刻机，当今最先进的极紫外（EUV）光刻机是投影光刻机。

投影光刻机由多个子系统组成，包括光源、照明系统、投影物镜系统、掩模台和掩模传送系统、工件台和晶圆传送系统、对准系统、聚焦和调平系统、环境控制系统等。这类光刻机本质上是一个复杂的投影系统：光源通过照明系统均匀照射放置在掩模台上的掩模版。该掩模具有预先设计的集成电路图案，该图案穿过投影物镜系统。投影到工件台上涂有光刻胶的硅片上，完成曝光。随后，工件台移动晶圆并进行另一次曝光。

提高光刻分辨率是光刻机进化的主线，极大地推动了集成电路工艺节点的进步。研究人员通过使用更短波长的光源来提高投影光刻机的分辨率，先后开发出紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。

UV光刻机首先使用波长为436nm的高压汞光源。随着技术的进一步发展，光源的波长缩短至365nm，可以支持250nm以上工艺节点的芯片生产。此后，光刻技术开始向DUV波段光源发展：1995年，日本尼康公司首次采用248nm波长的氟化氪（KrF）准分子激光器作为光刻机光源。该型光刻机将工艺节点推至180—130nm；到1999年，尼康、ASML、佳能等主要光刻设备制造商推出了采用193nm波长氟化氩（ArF）准分子激光器作为光源的光刻机，使工艺节点进一步缩小到130-65nm。长期以来，193nm光源为主流光刻机光源时，各光刻设备厂商主要通过增大投影物镜的数值孔径（NA）来提高光刻分辨率，最高NA达到0.93。直到2004年，ASML推出了第一台商用浸没式光刻机。该光刻机的技术创新在于在镜头与硅片之间引入去离子水作为介质，使得投影物镜的NA最大达到1.35，结合多重显卡等技术可实现7nm工艺节点。为了进一步缩小光源波长，提高光刻分辨率，经过约30年的研发，光源波长为13.5nm的EUV光刻机终于在2017年投入工业化生产，标志着又一个光刻技术取得重大突破。目前，只有ASML能够生产EUV光刻机，最高可支持2nm工艺节点。

光刻技术研发的难点与挑战

光刻机被誉为集成电路产业链上的“皇冠上的明珠”，是迄今为止人类能够制造的最精密的设备之一。他们的研发过程不仅技术难度极大，还面临诸多挑战。 。在技​​术方面，光刻机涉及光学、材料科学、机械工程等多个领域的前沿技术，需要跨学科团队的不断创新。在合作方面，由于技术的复杂性，多个领域的科研机构和企业需要紧密合作，共同解决问题，建立有效的沟通协作机制。在资金方面，光刻机项目从研发到生产都需要长期、巨大的投入。

以EUV光刻机为例，从EUV光刻技术被提出到正式投入工业化生产，研究人员用了大约30年的时间。人们在20世纪80年代开始探索EUV光刻技术，该技术的可行性在20世纪80年代末首次得到验证。然而，由于高昂的经济和时间成本，只有ASML及其合作伙伴继续致力于开发可用于工业量产的EUV光刻机。 2010年，ASML交付了第一台EUV光刻机原型机。 2012年至2016年，ASML完成了对先进光源制造商Cymer、电子束计量工具领先供应商HMI等高科技公司的收购，并于2017年交付了首款可用于工业量产的EUV光。雕刻机NXE：3400。目前，ASML持续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进技术公司以及全球180多所大学和科研机构合作，推动光刻技术的发展。根据ASML 2023年财务年报，该公司研发投入将从2022年的33亿欧元增加到2023年的40亿欧元。过去17年，该公司在EUV光刻机研发方面的投入超过60亿欧元独自的。

光源是光刻机的核心部件之一。光刻机对光源的工作波长、功率、转换效率、寿命等参数有严格的要求。以目前唯一商用的EUV光刻机为例。该光刻机使用激光等离子体（LPP）光源。为了获得高转换效率和长寿命，光源内部需要极其精确的激光瞄准：液滴发生器产生直径为20-30μm的锡液滴，可以以80m/s的速度移动。相当于复兴高铁的速度；首先用一束预脉冲激光将高速运动的锡滴打成饼状靶材，然后用另一束主脉冲激光轰击靶材，将靶材转化为等离子EUV光在同时，而这个双脉冲打靶过程需要在百万分之几秒内完美配合完成。因此，需要一种能够进行高速、高精度测量和目标控制的精密测控系统，以满足工业大规模生产的需求。

光刻机的投影物镜系统是成像光学的最高水平，其波像差需要达到纳米甚至亚纳米级别。这需要投影物镜的镜头级加工和检查，以及系统级检查和组装。严格要求。以EUV光刻机为例，为了保证成像性能，投影物镜的镜面必须进行极其高精度的加工：在ASML最先进的高数值孔径EUV光刻投影物镜系统中，镜面表面具有直径1.2m的表面形状需要加工到均方根误差小于0.02nm，相当于中国区域内一根头发丝直径的高度波动。

光刻机的机械系统设计巧妙地结合了稳定性和高性能的双重要求。以EUV光刻机为例，工件台的移动速度可达5m/s，工件台和掩模台需要高速同步移动。平均同步运动误差需要小于0.5nm，相当于两台机器以每小时1000公里的速度飞行。飞行器平均相对位置偏差控制在0.03μm（人类头发丝直径的千分之一）以内。工件台还需要具有惊人的加速度——达到重力加速度（7g）的7倍。这一性能保证了硅片能够在极短的时间内快速定位到预定位置。

掩模版是光刻系统图像信息的来源。制备过程中形成的污垢、划痕、图案异常等缺陷会改变掩膜版的光学性能，从而影响成像质量，降低芯片良率。由于光刻掩模制备要求高、工艺难度大，并且需要根据光刻技术的发展进行更新，长期的技术积累和充足的研发资金是必不可少的。凸版作为国际领先的口罩制造商，一直致力于口罩业务。 2005年收购杜邦光掩模公司，同年开始与IBM、格罗方德半导体、三星联合开发高端掩模技术。 45nm工艺节点已经发展到现在的2nm工艺节点。

硅片上涂覆的光刻胶直接关系到电子器件的性能和良率，也随着光刻技术的发展而发展。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的过程中，研究人员遇到了严峻的挑战，即同等条件下，光刻胶吸收的EUV光子数量仅为DUV193nm波长的1/14。这需要在 EUV 波段创建极其强大的光源，或者发明更灵敏的光刻胶。考虑到进一步提高EUV光源的功率极具挑战性，为了补偿光刻胶对EUV光子的低吸收率，EUV光刻胶需要具有不同于前几代光刻胶的独特性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等领先的EUV光刻胶供应商多年的持续研发，EUV光刻胶灵敏度和分辨率均取得突破，使得EUV光刻机在2018年进入7nm及以下工艺节点的规模化生产。生产。

光刻技术发展趋势

目前，最先进的EUV光刻技术已应用于2nm工艺节点芯片的量产，并且仍在优化中。为了不断逼近EUV光刻技术的理论分辨率极限，保证光刻机具有可靠的系统性能，需要继续深入研究如何有效管理因增加光源功率而带来的热效应，同时开发具有较低边缘粗糙度和EUV光刻胶的产品，确保精确的特征尺寸控制和良好的附着力。此外，减少光源内部的碎片污染以延长采集镜的使用寿命以及降低曝光过程中污染物粘附在掩模版上的概率也是当前重要的研究课题。

在EUV光刻技术实现量产的同时，不少研发机构也在尝试开发纳米压印、定向自组装（DSA）等相对低成本的下一代光刻技术。对于这些新兴的光刻技术，需要重点关注新材料的集成应用、三维图形化工艺的开发以及面向实际应用需求的图形设计。

（作者为中国科学院上海光学精密机械研究所研究员）